ok6410学习笔记（8.mmap地址映射之mmap驱动方法）
本节知识点：
重点函数：
1.mmap系统调用： void *mmap(void *addr,size_t len,int prot ,int flags , int fd , off_t offset) 将文件映射到进程空间的虚拟内存空间，直接对内存进行赋值，可以越过read，write对文件进行操作
参数详解：addr为映射的起始地址，一般设置成NULL，让系统分配地址，系统会自动找一个能用的虚拟内存，并创建一个vm_area_struct。
length为映射文件的长度
port映射区的保护方式，PROT_EXEC映射区可被执行，PROT_READ映射区可被读，PROT_WRITE映射区可被写
flags映射区特性，MAP_SHARED可以更改文件，MAP_PRIVATE不会更改文件
fd代表映射的文件
offset代表映射文件的偏移量
void* 返回任意类型的指针
2.munmap系统调用：int munmap(void *start , size_t length)解除映射 start就是mmap返回的void * ，成功返回0，失败返回1.
3.虚拟内存区域：就是在进程空间的虚拟内存中的程序段，数据段，bss段，堆，栈。可以用/proc/pid/maps来查看。
4.vm_area_struct结构，linux用vm_area_struct描述虚拟内存，unsigned long vm_start,unsigned long vm_end,unsigned long vm_flags(VM_IO,VM_RESERVED)
5.remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr,unsigned long pfn,unsigned long size , pgprot_t prot)
参数详解：vma 内核找到的有效的虚拟内存
virt_addr 虚拟地址的起始地址
pfn 要映射的物理地址的物理页的页桢号，物理地址>>PAGE_SHIFT就是物理地址除以2的12次方
size 要映射的大小
prot VMA的保护属性
6.virt_to_phys(内核虚拟地址) 将虚拟地址转换成物理地址
貌似是将内核空间的虚拟地址转换成物理地址
7.remap_pfn_range将一次建立所有的页表，nopage_VMA每次建立一个页表
驱动结构：
1.在应用层调用mmap的时候，内核分配了一个可以用的虚拟地址vm_area_struct
2.在驱动层mmap(struct *file,struct vm_area_struct *vma) 建立虚拟地址和物理地址的映射，即创建两者之间的所有页表
3.本实验是利用内核的一块内存当作驱动设备的，所有还将这个内存的虚拟地址转换成了物理地址。
本节代码：
memdev.c
/**************************************************************************
文件名： memdev.c
日期： 2013/06/03
头文件： memdev.h
功能： 简单字符驱动(开辟一块内存当做字符驱动进行读写) 此为驱动部分
环境： Redhat企业版5 内核版本2.6.18-53.el5
作者： Hao
流程： 1.分配设备号(a.静态申请 b.动态分配)
2.创建设备文件(a.手动创建mknod(需要设备号)注“设备名和设备文件名” b.自动创建)
3.设备注册(a.设备注册分配 b.设备注册初始化 c.设备注册添加)
4.实现file_operation中的函数
5.设备注销(cdev_del)
6.设备号注销
***************************************************************************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/atomic.h>
#include "memdev.h"
MODULE_AUTHOR("Hao");
MODULE_LICENSE("GPL");
static int mem_major=MEMDEV_MAJOR; //定义主设备号(定义一个全局变量在read write memdev_exit中都能用 )
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);//接收模块参数主设备号
struct mem_dev *mem_devp; //定义mem设备描述结构体指针
struct cdev c_dev; //设备注册分配 替换了struct cdev *cdev_alloc() 全局变量都可以使用
struct class *mem_class; /*设备的类*/
/**************************************************************************
函数名： mem_open
函数功能: 文件打开函数 使private_data指向 字符驱动模块
函数参数: inode存储文件物理信息的结构(包含设备号) file结构
函数返回值: 返回0为正常执行
***************************************************************************/
int mem_open(struct inode *inode,struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
int num = MINOR(inode->i_rdev); //获得次设备号
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV; //判断是否次设备号 不正确
dev = &mem_devp[num];
filp->private_data = dev; /*不是很了解private_data
宋宝华的linux设备驱动开发详解，93页写到私有数据指针private_data在设备驱动中背广泛使用，大多数指向设备驱动自定义用于描述设备的结构体。*/
return 0;
}
/**************************************************************************
函数名： mem_release
函数功能: 文件关闭函数
函数参数: inode存储文件物理信息的结构(包含设备号) file结构
函数返回值: 返回0为正常执行
***************************************************************************/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/**************************************************************************
函数名： mem_read
函数功能: 文件读取函数
函数参数: struct file *filp(open的时候系统产生的结构，根据inode来的)
char __user *buf 存储读取数据的空间
size_t size 读取的大小 size_t应该就是typedef unsigned int的类型
loff_t *ppos 当前文件指针的位置
函数返回值: 返回ret 正常应该是size的值
***************************************************************************/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos; //保存下文件指针的当前位置
unsigned int count=size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; //private_data是一个空指针用来接收各种数据的传递
if (p >= MEMDEV_SIZE) //判断文件指针是否有效
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)//判断读取的大小是否比剩余的内存大小还大
count = MEMDEV_SIZE - p;
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))//把字符设备模块从内核空间拷贝到用户空间
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_EMERG "read %d bytes(s) from %ld\n", count, p);
}
return ret;
}
/**************************************************************************
函数名： mem_write
函数功能: 文件写函数
函数参数: 参数同read函数
注意：struct file *filp，char __user *buf和size_t size是内核从应用层api-fread中传递下来的
具体是怎么传递的不详 看内核代码 Read_write.c
函数返回值: 返回size为正常执行
***************************************************************************/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
if (p >= MEMDEV_SIZE)//MEMDEV_SIZE为内存最大值
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count)) //从应用程序的角度看写是从用户到内核
ret = - EFAULT;
else {
*ppos += count;// 不知道这里用filp->f_pos+=count行不行 因为我觉得filp->f_pos和ppos是一个地址
ret = count;
printk(KERN_EMERG "written %d bytes(s) from %ld\n", count, p);
}
return ret;
}
/**************************************************************************
函数名： mem_llseek
函数功能: 文件位置指针定位函数
函数参数: struct file *filp
loff_t offset偏移量
int whence 三种可能SEEK_SET SEEK_CUR SEEK_END
函数返回值: 返回0为正常执行
***************************************************************************/
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos; //定义中间变量
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE)) //判断newpos是否有效
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos; //赋值 定位
return newpos;
}
/**************************************************************************
函数名： mem_map
函数功能: 映射函数 将物理地址和虚拟地址建立页表
函数参数:
函数返回值: 返回0为正常执行
***************************************************************************/
static int mem_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
vma->vm_flags|=VM_IO;
vma->vm_flags|=VM_RESERVED;
if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT,vma->vm_end-vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
printk(KERN_EMERG "NOW is in kernel mmap!!!\n");
return 0;
}
static const struct file_operations mem_fops = //定义此字符设备的file_operations
{ //这里是对结构体整体赋值的方式
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek, //函数名都可以自己定义 都是函数指针
.mmap = mem_mmap,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/**************************************************************************
函数名： memdev_init
函数功能: 内核模块入口函数
函数参数: 无
函数返回值: 返回0为正常执行 返回result为设备号获取不成功
返回- ENOMEM为内存分配不成功
***************************************************************************/
static int memdev_init()
{
int i;
int result;
dev_t dev_num=MKDEV(mem_major,0);//将主设备号和次设备号转换成32位的设备号给 静态申请设备号用的
if(mem_major)
result=register_chrdev_region(dev_num,2,"newmemdev");//静态申请设备号为dev_num 2个设备 设备名为“newmemdev”
else
{
result=alloc_chrdev_region(&dev_num,0,2,"newmemdev");//动态分配设备号 设备名可以在/proc/devices文件中找 与/dev路径找文件不同 因为一个设备文件 一个次设备号
mem_major = MAJOR(dev_num);//获得主设备号
}
if (result < 0)
{
return result; //判断动态分配是否成功 不成功则退出函数
}
/*设备注册 分配已经在前面完成了 为全局变量*/
cdev_init(&c_dev,&mem_fops);//设备注册初始化 将设备号dev_num和file_operation建立联系
c_dev.owner = THIS_MODULE;//*****************貌似可以屏蔽吧*********************
cdev_add(&c_dev,dev_num,2);//设备注册 添加 设备号为dev_num 设备数为2个
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);//开辟2个字符设备模块大小的空间
if (!mem_devp) /*判断是否分配内存成功*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev)); //将初始化2个字符设备模块大小的空间清零
mem_class = class_create(THIS_MODULE, "mem_class_name");//创建设备类
device_create(mem_class, NULL, MKDEV(mem_major, 0), NULL, "memdev0"); //创建设备文件 文件名为memdev0
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) //对字符设备模块结构赋值
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//因为data是指针所以继续对其开辟4k空间了
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc: //如果内存分配不成功直接注销设备号
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);/*但是不明白的是 1.为什么只注销一个次设备的设备号 2.为什么不先注销cdev_dev*/
return result;//虽然这里不懂 但不深究了 因为很少出现内存分配不成功的情况(在学习练习的时候)
}
/**************************************************************************
函数名： memdev_exit
函数功能: 内核模块退出函数
函数参数: 无
函数返回值: 无
***************************************************************************/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&c_dev);//设备注销
kfree(mem_devp);//释放开辟的内存空间
/*这里貌似没有释放mem_devp[i].data的指针 是不是应该kfree(mem_devp[1].data)*/
/*这里有一个问题就是那两个内存分配 为什么要分配两次 为什么释放一次 我试过貌似第二次不分配也可以*/
device_destroy(mem_class, MKDEV(mem_major, 0));/*注销设备*/
class_destroy(mem_class); /*删除类*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2);//设备号注销
}
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
appmem.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd;
char *dev_buf;
char buf[100];
if(-1==(fd=open ("/dev/memdev0", O_RDWR)))
{
printf("open dev0 error\n");
_exit(EXIT_FAILURE);
}
dev_buf = (char*)mmap(NULL,100, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
read(fd, buf, strlen(buf));
printf("now buf is %s\n",buf);
strcpy(dev_buf,"hello world hao!\0");
printf("now is reading!\n");
munmap(dev_buf,100);
close(fd);
}
在app的函数里面可以先用mmap写一个值，再munmap断开映射，再映射mmap去读，如果读出数据 说明mmap测试成功。